Desenvolvimento de um sistema de medição de vazão com o uso ...

Centro de Tecnologia e UrbanismoDepartamento de Engenharia Elétrica

Lucas da Silva Dias

Desenvolvimento de um sistema de medição devazão com o uso de eletrônica microprocessada

Londrina

2014

Universidade Estadual de Londrina

Centro de Tecnologia e UrbanismoDepartamento de Engenharia Elétrica

Lucas da Silva Dias

Desenvolvimento de um sistema de medição de vazão com ouso de eletrônica microprocessada

Trabalho de Conclusão de Curso orientado pelo Prof. Dr. Walter Ger-manovix intitulado “Desenvolvimento de um sistema de medição devazão com o uso de eletrônica microprocessada” e apresentado à Univer-sidade Estadual de Londrina, como parte dos requisitos necessários paraa obtenção do Título de Engenheiro Eletricista.

Orientador: Prof. Dr. Walter Germanovix

Londrina

2014

Ficha Catalográfica

Lucas da Silva DiasDesenvolvimento de um sistema de medição de vazão com o uso de eletrônicamicroprocessada - Londrina, 2014 - 69 p., 30 cm.Orientador: Prof. Dr. Walter Germanovix1. Tubo de Venturi. 2. sensor diferencial de pressão. 3. transmissão de dados. 4. Web

Server.I. Universidade Estadual de Londrina. Curso de Engenharia Elétrica. II. Desenvolvi-mento de um sistema de medição de vazão com o uso de eletrônica microprocessada.

Lucas da Silva Dias

Desenvolvimento de um sistema de medição devazão com o uso de eletrônica microprocessada

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenha-ria Elétrica da Universidade Estadual de Londrina, como requisitoparcial para a obtenção do Título de Engenheiro Eletricista.

Comissão Examinadora

Prof. Dr. Walter GermanovixUniversidade Estadual de Londrina

Orientador

Prof. Dr. Aziz Elias Demian JuniorUniversidade Estadual de Londrina

Prof. Dr. Ernesto Fernando Ferreyra RamírezUniversidade Estadual de Londrina

Londrina, 17 de novembro de 2014

Dedico este trabalho primeiramente a Deus, por me dar o dom da vida e iluminar as escolhasque tenho feito, e aos meus pais por me mostrarem a importância do estudo e nunca faltarem

com incentivo acima de qualquer dificuldade.

Agradecimentos

Aos meus pais pelos ensinamentos passados desde os primeiros minutos de vida, pelapreocupação com a formação do meu caráter e pelas inúmeras palavras de apoio e incentivonos momentos que foram necessários. Sou grato também aos meus irmãos, Bruna da Silva Diase Thiago da Silva Dias, e a todos os meus familiares que contribuíram com minha formaçãopessoal.

Em especial à minha namorada Amanda de Souza Candia, que não mediu esforços paratrazer alegria e felicidade à minha vida, principalmente nos momentos de desânimos e angústiasdurante a realização deste trabalho.

À todos os amigos que conheci durante este período, onde compartilhamos bons emaus momentos. Em especial aos colegas Paulo Vitor do Amaral Custódio, Gabriel RezendeGermanovix, Lucas dos Santos Araujo Claudino, Diego de Freitas Marinho, Rafael Marcome Ricardo Henrique Motta, que sempre se prontificaram a ajudar na realização dos trabalhosdurante o curso.

À todos os professores com quem tive a oportunidade de trabalhar, dentro e fora de salade aula, que serviram de inspiração e exemplo para minha formação profissional, principalmenteo professor Walter Germanovix que me instruiu na realização de um projeto de iniciaçãotecnológica e neste trabalho.

À empresa Usinametal e ao seu funcionário Caio Delgado Goes, que se dispôs a fabricaro tubo Venturi 2. Ao Setor de Mecânica Fina - Departamento de Física da UEL que tambémcontribuiu com materiais para o desenvolvimento do trabalho. Aos professores Décio LuizGazzoni Filho e Francisco Granziera Júnior pelo interesse e apoio prestados ao trabalho.

À Universidade Estadual de Londrina, pela utilização de suas instalações, pelo auxíliodado através de seus funcionários e colaboradores e pelo apoio ao projeto 8060, do qual estetrabalho faz parte.

“Lembre-se que as pessoas podem tirar tudo de você, menos o seu conhecimento.”(Albert Einstein)

Lucas da Silva Dias. 2014. 69 p. Trabalho de Conclusão de Curso em Engenharia Elétrica -Universidade Estadual de Londrina, Londrina.

ResumoA medição de vazão é um sistema amplamente utilizado em indústrias, empresas de fornecimentode água e em residências. Isto tem acarretado em um aumento na demanda de sistemas de mediçãode vazão associados a telemetria. O objetivo deste trabalho foi desenvolver um sistema de mediçãode vazão de água utilizando circuitos eletrônicos analógicos e digitais. Para excitação do sistemaeletrônico foi utilizado um tubo de Venturi, cuja função é gerar uma diferença de pressão entresuas regiões de seções diferentes, exibindo o resultado em um display alfanumérico. Para leituraremota dos resultados do medidor de vazão, foi desenvolvido um sistema de transmissão de dadosutilizando um Web Server, que disponibiliza o acesso dos dados em um navegador. O sistemaeletrônico acoplado ao tubo de Venturi utilizou uma placa de desenvolvimento composta porum microcontrolador ARM (STM32F107VC) e um sensor diferencial de pressão. O resultadoapresentou um erro elevado, em torno de 10%, contudo o princípio adotado foi consideradoválido, pois se tem conhecimento de medidores de Venturi com elevada acurácia. Já o sistemade transmissão de dados foi desenvolvido com um Arduino e um Ethernet Shield, devido adisponibilidade de todos os equipamentos necessários para implementação de suas funções.Os resultados apresentados foram satisfatórios. Foi possível gravar os valores de vazão em umcartão SD, presente no Ethernet Shield, e realizar a leitura dos mesmos por um computador emrede. Com este estudo observou-se um potencial em criar um sistema eletrônico de medição deconsumo de água, associando a transmissão de dados à concessionária, produzindo um sistemade leitura de consumo automatizado.

Palavras-Chave: 1. Tubo de Venturi. 2. sensor diferencial de pressão. 3. transmissão de dados.4. Web Server.

Development of a flow measurement system using microprocessor. 2014. 69 p. Monographin Electrical Engineering - Londrina State University, Londrina.

AbstractThe flow measurement is a widely used system in industries, water providers and residences.This has increased demand for flow measurement systems associated telemetry. The goal of thisjob was to develop a flow measurement system using analog and digital electronic circuits. Itwas used a Venturi tube as an exciter electronic system, which objective to generate a differenceof pressure between two distinct sections. The measurement is shown in an alphanumericdisplay. It was developed a data transmission using a Web Server to remotely read the flowmeasurement data. This server provides access to the log files at any web browser. The engagedelectronic system uses a development board with a ARM (STM32F107VC) microcontroller anda differential pressure sensor. As a result, the system shows a high error (around 10%), but alsoreveals that this is a valid measurement system, once many previous experiments with Venturitubes have presented a high accuracy. The data transmission was developed using an Arduinoand an Ethernet Shield, once all equipment were available to implement this function. The resultswere satisfactory. It was possible to record the flow values on a built-in SD card, and read itusing a network computer. With this study we observed a potential to create an electronic systemfor measuring water consumption, involving the transmission of data to the concessionaire,producing a system for automated reading of consumption.

Key-words: 1. Venturi tube. 2. differential pressure sensor. 3. data transmission. 4. Web Server.

Lista de figuras

Figura 1 – Medidores de vazão deprimogênios: (a) Placa de Orifício, (b) Bocal e (c)Tubo de Venturi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Figura 2 – Características de fabricação de um tubo de Venturi. . . . . . . . . . . . . . 14Figura 3 – Escoamento em um tubo infinitesimal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16Figura 4 – Tubo de Venturi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18Figura 5 – Arquitetura Arduino ATmega8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20Figura 6 – Arquitetura Arduino ATmega328. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Figura 7 – Folha de desenho Venturi 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26Figura 8 – Folha de desenho Venturi 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27Figura 9 – Diagrama de blocos simplificado do circuito eletrônico proposto. . . . . . . 27Figura 10 – Curva característica de resposta, em tensão, do sensor MPXV7002DP. . . . 28Figura 11 – Circuito de condicionamento analógico projetado. . . . . . . . . . . . . . . 29Figura 12 – Placa de circuito impresso desenvolvida para o circuito analógico. . . . . . 29Figura 13 – Fluxograma do software desenvolvido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Figura 14 – Esquemático do sistema de alimentação do microcontrolador. . . . . . . . . 32Figura 15 – Circuito de Clock implementado através de cristal. . . . . . . . . . . . . . . 32Figura 16 – Esquemático circuito de depuração com JTAG. . . . . . . . . . . . . . . . . 34Figura 17 – Esquemático do circuito de alimentação do Hardware. . . . . . . . . . . . . 35Figura 18 – Esquemático do circuito de alimentação e comunicação USB. . . . . . . . . 35Figura 19 – Placa de Circuito Impresso fabricada para substituição do kit de desenvolvi-

mento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37Figura 20 – Circuito de teste para transmissão de dados. . . . . . . . . . . . . . . . . . 40Figura 21 – Trecho do código do software desenvolvido que faz a gravação dos dados no

cartão SD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41Figura 22 – Trecho do código do software desenvolvido que faz comunicação do micro-

controlador com a rede. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42Figura 23 – a) Circuito analógico; b) Sensor diferencial de pressão; c) Display; d) Medidor

de consumo mecânico; e) Sistema proposto em funcionamento. . . . . . . . 45Figura 24 – Relação entre o consumo do medidor eletrônico e do mecânico comparado

com o sistema ideal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47Figura 25 – Relação entre o consumo do medidor eletrônico calibrado e o do mecânico

comparado com o sistema ideal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47Figura 26 – Consumo de ambos os sistemas em relação a tensão de saída do sensor

diferencial de pressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48Figura 27 – Arquivos presentes no cartão SD após um período de teste. . . . . . . . . . 49

Figura 28 – Arquivo Dados.txt aberto no computador utilizando o leitor de cartão. . . . 49Figura 29 – Arquivo Internet.txt aberto no computador utilizando o leitor de cartão. . . . 50Figura 30 – Leitura dos dados gravados no cartão SD através do navegador Google Chrome. 50

Lista de tabelas

Tabela 1 – Comparação entre os medidores de vazão deprimogênios. . . . . . . . . . . 13Tabela 2 – Dimensões dos tubos de Venturi construídos . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Tabela 3 – Modos de inicialização do Microcontrolador ARM . . . . . . . . . . . . . 33Tabela 4 – Pinos utilizados no JTAG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Tabela 5 – Componentes utilizados na fabricação do hardware e seus respectivos preços. 36Tabela 6 – Consumo medido em litros pelo sistema eletrônico e pelo sistema mecânico,

resultante das cincos vazões avaliadas, para três amostras coletadas. . . . . . 46

Lista de abreviaturas e siglas

A/D Analog-to-Digital

ARM Advanced RISC Machine

CPU Central Processing Unit

GSM Global System for Mobile

HTML Hypertext Markup Language

HTTP Hypertext Transfer Protocol

JTAG Join Test Access Group

LAN Local Area Network

LCD Liquid Crystal Display

LED Light Emitting Diode

NAT Network Address Translation

PCI Placa de Circuito Impresso

PVC Polyvinyl Chloride

RTC Real Time Clock

SD Secure Digital

ULA Unidade de Lógica Aritmética

USB Universal Serial Bus

WAN Wide Area Network

µC Microcontrolador

µP Microprocessador

Lista de símbolos

a aceleração [m/s2]

A Área da seção do tubo [m2]

d Diâmetro da tubulação no estrangulamento

D Diâmetro a montante do cone convergente

g Aceleração da gravidade [m/s2]

G Força da gravidade ou Peso [N]

m Massa [kg]

Pa Pascal

p pressão estática em um ponto do fluido [Pa]

Q Vazão [m3/s]

s segundo

t Tempo [s]

v Velocidade [m/s]

V Volume [m3]

z Altura em relação a um referencial [m]

ρ Massa específica [km/m3]

γ Peso específico [N/m3]

Π Forças que resultam da ação da pressão sobre a superfície de contorno dovolume de controle (i.e forças normais e tangenciais) [N]

Sumário

I Introdução 11 O Tema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Organização do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

II Revisão da Literatura 94 Medidores de vazão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4.1 Molinetes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114.2 Magnéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124.3 Ultrassônicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124.4 Deprimogênios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

4.4.1 Tubo de Venturi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 Dinâmica dos fluidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 Microcontroladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

IIIDesenvolvimento 237 Desenvolvimento do protótipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

7.1 Sistema Hidráulico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257.2 Sistema Eletrônico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257.3 Desenvolvimento do Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

8 Transmissão de Dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

9.1 Medidor de vazão eletrônico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459.2 Transmissão de Dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

IVFechamento 5310 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5511 Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

Referências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

Anexos 63ANEXO A Datasheet MPXV7002DP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

Parte I

Introdução

3

1 O Tema

É chamada de Hidrometria a ciência da medida e de análise das características físicas equímicas da água, bem como métodos, técnicas e instrumentação utilizada em hidrologia. Envolveas medidas das pressões, das velocidades e das vazões ou descargas. Por isso, é considerada umadas partes mais importantes da hidráulica (GRISON, 2008 apud COELHO, 2011).

Há muitos séculos surgiu à necessidade de se medir vazão, devido à canalização de águapara consumo doméstico, pois a administração pública necessitava de um sistema para medir ataxa de consumo líquido. Com o passar do tempo e com o surgimento de indústrias, aumentou ademanda por medição de fluidos em geral, tornando esse sistema de fundamental importância nosetor. Os medidores de vazão de obstrução, embora antigos, ainda são amplamente utilizadospara a medição de vazão, dentre eles podemos citar o tubo de Venturi, sendo este um excelentemedidor com característica principal de baixa perda de carga importada ao sistema (SAVIONEK;KARDELI; RATHKE, 2010).

Segundo Ibars (2004) o tubo de Venturi é um dispositivo com maior precisão e menorperda de carga, por isso se torna mais vantajoso em relação a outros dispositivos como os dotipo molinete, aos diafragmas e bocais. Este é utilizado para medição em diversas instalaçõesindustriais como no tratamento de água, condução de gases e produtos corrosivos. Para aconstrução do tubo pode-se utilizar os matérias como aço, bronze, alumínio, ferro, PVC e resinaplástica reforçada com fibra de vidro.

Os microcontroladores estão envolvidos em quase todas as áreas da Eletrônica, estesapresentam vantagens como diminuição do tamanho, facilidade de manutenção e gerenciamentode tarefas internas de aparelhos eletroeletrônicos. Um microcontrolador tem como principalatividade a execução de várias funções que exigiriam um grande número de componentes, ouseja, tem como objetivo a redução de um circuito em um único componente. Dessa forma, atravésdo estudo de aspectos teóricos e práticos de microcontroladores, é viável o desenvolvimento deprojetos e implementações de sistemas microcontrolados de pequeno e médio portes, abrindoportas para o desenvolvedor criar novos projetos de hardware e software (MARTINS, 2005).

Atrelado ao uso dos microcontroladores está a chamada Telemetria, cujo significadoem grego é Medida Remota. Esta área de estudo foi desenvolvida com o objetivo de monitorarsistemas em locais de difícil acesso (CONDE et al., 2009). Dentre as diversas técnicas utilizadasna Telemetria, a que corresponde o maior número de aplicações é a radiofrequência, por nãoapresentar ligações físicas (PAIM, 2005).

5

2 Objetivos

O objetivo deste trabalho foi desenvolver um sistema de medição de vazão de água, emtubulações residenciais convencionais, em tempo real e sem partes móveis. O resultado é apre-sentado em um display alfanumérico de fácil compreensão, evitando mão de obra especializadana leitura do valor calculado pelo medidor.

O tema adotado faz parte de um projeto com a finalidade de criar um modelo de estaçãometeorológica, composto de diversos sensores, entre eles, umidade e temperatura, controladospor um microcontrolador. A primeira etapa deste projeto foi o desenvolvimento deste protótipo.

Outra motivação para o desenvolvimento deste trabalho foi a possibilidade de criar ummedidor de consumo residencial eletrônico, visando substituir o medidor mecânico utilizado.O medidor atual não possui nenhum controle instantâneo de consumo, assim o processo dedescobrir vazamentos é lento. Com um sistema eletrônico associado a um sistema de transmissãode dados, a concessionária teria total controle sobre o consumo de cada usuário além de tornar oprocesso de identificação de vazamentos mais rápido.

Desta forma, foi desenvolvido um processo de transmissão de dados utilizando ummicroprocessador da família Arduino e um Ethernet Shield 1, de forma que os dados coletadospelo sistema são gravados em um cartão SD e o arquivo pode ser aberto e lido através da Internet.A escolha deste sistema de transmissão de dados foi adotada devido a facilidade no acesso dosequipamentos e ao baixo custo, buscando demonstrar e incentivar a criação de um sistema maisrobusto.

1 O Ethernet Shield é uma placa de circuito impresso que permite a conexão de um Arduino com a internet.É baseado no chip Wiznet W5100, onde um endereço de IP é fornecido ao microcontrolador permitindo acomunicação. O Shield possui também um suporte de cartão SD, que permite o armazenamento de dados.

7

3 Organização do Trabalho

A dissertação é composta de quatro partes, sendo esta, a primeira, uma introdução aoassunto abordado.

A parte dois apresenta os conceitos envolvidos na modelagem de sistemas de medição devazão, incluindo o método de Venturi adotado neste projeto, e as características de escoamentode fluidos.

A parte três aborda o desenvolvimento de cada etapa do protótipo, demonstrando comoas atividades foram desenvolvidas e o porquê. Apresenta também os resultados obtidos em cadafase.

A parte quatro analisa os resultados obtidos, comparando-os com os objetivos propostose apresenta sugestões para trabalhos futuros.

Parte II

Revisão da Literatura

11

4 Medidores de vazão

O avanço e o desenvolvimento de princípios físicos aplicados a medição de vazão surgiudevido a demanda da espécie humana por suprimento de água, irrigação para o plantio, navegaçãoe geração de energia, impulsionando o estudo sobre as características de escoamento da água(LEE, 2003 apud IBARS, 2004).

O uso de medidores de vazão para quantificar a taxa de fluxo que atravessa uma de-terminada área é uma prática bem antiga. Segundo Delmée (1995), os primeiros vestígios douso de medidores de vazão, baseados no princípio da diferença de pressão, foi da civilizaçãoegípcia, aplicado à agricultura. Outros personagens importantes da história que também sededicaram a este assunto foram Leonardo da Vinci, em sua obra "Sobre o movimento da água eas obras fluviais", Galileu Galilei e Torricelli, que desenvolveram importantes trabalhos sobre ofuncionamento de elementos geradores de diferenças de pressão.

Contudo as maiores contribuições vieram posteriormente, no século XVIII, com DanielBernoulli e Leonard Euler. Bernoulli foi o responsável por desenvolver a "Equação de Bernoulli",uma das principais leis do movimento de fluidos; já Euler, apresentou ao mundo as equaçõesdiferenciais gerais do movimento de líquidos perfeitos. Através destes estudos começaram asurgir de fato os primeiros aparelhos destinados a medição de velocidade da água, incluindo ostrabalhos de Giovanni Battista Venturi, princípio adotado neste trabalho.

A escolha de um medidor de vazão pode ser algo complexo, devido a grande quantidadede técnicas de medição presentes hoje e as características particulares que cada uma apresenta.Por isso, antes de determinar um medidor de vazão, é preciso verificar quais são as condições defuncionamento que o equipamento deve apresentar, tais como: precisão exigida, faixa de medida,custo, facilidade de leitura e tempo de vida em serviço (FOX; MCDONALD, 1998). Entre osmétodos mais comuns podemos citar: Deprimogênios, Molinetes, Magnéticos e Ultrassônicos.

4.1 Molinetes

O molinete hidrométrico, conhecido também por Correntômetro de hélice, é um equipa-mento de medição de vazão indireto, uma vez que a velocidade de escoamento é medida paradeterminação da vazão. O dispositivo apresenta uma hélice que rotaciona em torno de seu eixoproporcionalmente a velocidade do fluido (CARVALHO, 2008).

A inserção do dispositivo apresenta uma dificuldade alta, com necessidade de cessar oescoamento do fluido e em alguns casos o esvaziamento da tubulação. Outra característica é oelevado custo comparada com a precisão da medida, que varia de 2% a 5% (ANDRADE et al.,2014).

12 Capítulo 4. Medidores de vazão

4.2 Magnéticos

Os medidores de vazão magnéticos têm como princípio de funcionamento a Lei deFaraday, onde um líquido condutor provoca uma variação no campo magnético emitido pelomedidor (RAMOS, 2006).

Este dispositivo só pode ser implementado em condutos forçados com diâmetro inferiora 3 metros. O custo de implementação é bastante elevado e requer mão de obra especializadapara instalação e manutenção do equipamento. Em contra-partida, o equipamento apresenta umaprecisão de 0,5% e a não obstrução do duto (ANDRADE et al., 2014).

4.3 Ultrassônicos

Os medidores ultrassônicos são utilizados para o cálculo do escoamento de fluidosque contenham partículas em suspensão, além da capacidade de medir características como dedensidade e tamanho das partículas (SANTOS, 2006).

Atualmente dois princípios são os mais utilizados neste tipo de equipamento: O efeitoDoppler, que mede a variação da frequência do sinal recebido no receptor em relação ao sinaltransmitido; e o Tempo de trânsito, onde é medida a diferença de tempo do sinal percorrer umdeterminado espaço a favor do fluxo e contrário a ele (AGUIERRE; TORRES, 2013).

As vantagens deste método de medição é o baixo custo, a aplicação em tubulações comgrandes diâmetros e a excelente precisão, em torno de 0,5%. Contudo, é necessária mão-de-obraespecializada e esvaziamento do duto para sua instalação (ANDRADE et al., 2014).

4.4 Deprimogênios

Além do tubo de Venturi, outros medidores de vazão chamados de deprimogêniossão: o Bocal e a Placa de Orifício. Eles recebem este nome porque criam uma diferença depressão ao longo do caminho de escoamento que está relacionada com a vazão. Também sãoos equipamentos mais empregados na indústria, representando cerca de 50 % da aplicabilidade(SCHNEIDER, 2007).

Para extrair o valor do escoamento de fluido de um medidor deprimogênio, duranteseu trajeto, cria-se uma redução na área da seção do condutor ou adiciona-se um obstáculo,acarretando em uma diferença de pressão entre a área de diâmetro nominal e a área estrangulada.Esta diferença de pressão é gerada pelo aumento da velocidade do fluido na área de seção menor(NETTO, 1998).

A Figura 1 apresenta os modelos dos medidores deprimogênios.

A diferença entre eles está na complexidade de construção e na perda de carga, caracte-

4.4. Deprimogênios 13

Figura 1 – Medidores de vazão deprimogênios: (a) Placa de Orifício, (b) Bocal e (c) Tubo deVenturi.

Fonte: Adaptado Fox e McDonald, 1998, p.251.

rísticas inversamente proporcionais entre si, conforme apresenta a Tabela 1. Quanto menor for aperda de carga do medidor, maior será sua complexidade de construção e seu custo.

Tabela 1 – Comparação entre os medidores de vazão deprimogênios.

Tipo de Medidor Perda de Carga CustoOrifício Alta BaixoBocal Intermediária Intermediário

Venturi Baixa Alto

Fonte: Adaptado Fox e McDonald, 1998, p.251.

A perda de carga esta diretamente relacionada ao cálculo da vazão, pois a diferençade pressão medida entre as áreas de seções diferentes é decorrente do aumento de velocidadedo fluido e da perda de carga. Para equipamentos com elevada perda de carga, uma correçãodo valor medidor deve ser feito para que o equipamento trabalhe com êxito (CASSIOLATO;ORELLANA, 2010).

4.4.1 Tubo de Venturi

O medidor de Venturi recebeu este nome em homenagem ao filósofo G.B. Venturi, quefoi o precursor do uso deste dispositivo no estudo da hidráulica, todavia seu criador foi ClemmensHerschel em 1881 (NETTO, 1998).

O tubo de Venturi é constituído basicamente de três partes: o cone de entrada, onde avelocidade do fluido aumenta gradativamente; a parte intermediária cilíndrica, local de medida debaixa pressão; e o cone de saída, onde a velocidade decai até se igualar a velocidade de entrada.

Devido todas as características enunciadas e principalmente a baixa perda de carga, otubo de Venturi foi adotado neste trabalho como excitador do sistema eletrônico para o cálculoda vazão. Contudo a construção deste dispositivo é complexa, normas dever ser respeitadas parase montar um sistema confiável, ou seja, com baixa perda de carga. As características mínimasde construção de um bom tubo de Venturi estão discorridas a seguir (DELMéE, 1995).

14 Capítulo 4. Medidores de vazão

• Cilindro de entrada: Deve apresentar um diâmetro (D) cuja diferença com o diâmetro datubulação não ultrapasse de 0,01D e comprimento de uma vez o diâmetro da tubulação(1D).

• Cone convergente: Deve ter convergência com um ângulo de 21o(±1o) e comprimento ne-cessário para ligar os tubos de maior e menor diâmetro mantendo o ângulo de convergêncianecessário.

• Garganta cilíndrica: Deve ter um comprimento (d) igual ao diâmetro do tubo usado em suaconstrução.

• Cone divergente: Deve ter um ângulo de divergência compreendido entre 7o e 15o, contudo,recomenda-se utilizar um valor compreendido entre 7o e 8o.

A Figura 2 ilustra as dimensões de construção de um tubo de Venturi clássico.

Figura 2 – Características de fabricação de um tubo de Venturi.

Fonte: Delmée, 1995, p.243.

15

5 Dinâmica dos fluidos

Para entender como extrair a vazão de um líquido de uma tubulação, pelo métodoproposto neste trabalho, é necessário entender como se comportam as partículas fluidas e as leisque descrevem seus movimentos. Para isso, deve-se ter em mente os conceitos de escoamentoem regime permanente, viscosidade e incompressibilidade.

Para Munson, Young e Okiishi (2004), um escoamento em regime permanente é aquelecujas características de campo de velocidade não se modificam ao longo do tempo, ou seja, avelocidade em um determinado ponto é a mesma à todo instante. Brunetti (2008) exemplificaeste regime utilizando um tanque abastecido por uma fonte de água onde a quantidade de águaque entra é igual a quantidade que sai. Assim o nível do tanque se mantém constante e não ocorrevariação de velocidade em cada ponto do sistema em relação ao tempo.

A viscosidade de um fluido é o que relaciona a taxa de deformação sofrida pelo mesmoem relação a uma tensão de cisalhamento aplicada à ele. Pode-se dizer que o coeficiente deviscosidade nos fluidos, se deve ao atrito interno de suas moléculas, ou seja, quão grande é àforça de atração entre as moléculas relativamente juntas. Um fluido que apresenta coeficientede viscosidade nulo é chamado de invíscido. No sistema internacional a unidade de medida docoeficiente de viscosidade é [Pa · s] (FOX; MCDONALD, 1998).

Dizer que um fluido incompressível é aquele que não se comprime na mecânica dosfluidos é contraproducente. Na realidade, a incompressibilidade de um fluido é representada pelaequação (5.1),

5 · v = 0 (5.1)

ou seja, a aplicação do operador divergente ao campo de velocidade do fluido deve ser zero. Estefator é considerado importante, pois, de acordo com a equação (5.2) da conservação de Massa, aincompressibilidade definida anteriormente determina que não há variação de massa específicaem relação ao tempo em fluidos incompressíveis (OLIVEIRA, 2012).

1

ρ

Dρ

Dt+5 · v = 0 (5.2)

As definições destes conceitos foram necessárias para introduzir a Equação de Bernoulli,que é utilizada para descrever o estado de um fluido desde que o mesmo apresente um escoamentoem regime permanente, seja incompressível e invíscido.

A extração da equação de Bernoulli é feita através da aplicação da segunda Lei deNewton sobre o movimento da partícula fluida. Na prática, sabe-se que não exitem líquidos

16 Capítulo 5. Dinâmica dos fluidos

invíscidos, entretanto a magnitude da força de atração, em alguns casos, é muito menor do queas forças relativas a pressão e gravidade, podendo ser considerada nula (MUNSON; YOUNG;OKIISHI, 2004). De acordo com a lei de Newton:

Π + G = m · a (5.3)

A descrição do movimento de uma partícula fluida é feito através do vetor de velocidade,definido na equação (5.4), e de sua posição inicial, indicando sua localização em cada instantede tempo. Logo, em um regime permanente, todas as partículas que passam num determinadoponto seguirão a mesma trajetória pois apresentam sempre a mesma velocidade neste ponto.

v = limt→0

4s4t

=dsdt

(5.4)

Considere o escoamento exibido na Figura 3.

Figura 3 – Escoamento em um tubo infinitesimal.

A força exercida pela pressão e pela gravidade, no escoamento infinitesimal, aplicados aequação (5.3), resulta:

−G · cos(α) + p · dA−(p+

∂p

∂sds

)dA = m · a (5.5)

17

Aplicando a definição de massa específica (ρ=m/V), peso específico, aceleração (a=dv/dt)e dividindo todos os elementos por -γdAds, obtém-se:

cos(θ) +1

γ

∂p

∂s= −ρ

γ

dv

dt(5.6)

Por fim, substituindo as equações (5.7), (5.8) e (5.9) na equação (5.6), e rearranjando ostermos, encontra-se a Equação de Bernoulli, equação (5.10).

cos(θ) =dz

ds(5.7)

ρ

γ=

1

g(5.8)

dv

dt=∂v

∂t+

∂

∂s

(v2

2

)(5.9)

∂

∂s

(p

γ+ z +

v2

2g

)= −1

g

∂v

∂t(5.10)

Para escoamentos em regime permanente não existe variação de velocidade em relaçãoao tempo, portanto o lado direito da equação (5.10) é igual a zero. A Equação de Bernoulli écomumente expressa por:

p+1

2· ρ · v2 + ρ · g · z = C (5.11)

O enunciado de Bernoulli diz que: “Em um escoamento estacionário de um fluidoincompressível, no campo gravitacional, a soma das alturas geométrica, cinética e piezométricapermanecem constantes ao longo de cada linha de fluxo”. Em uma linguagem mais simples, apressão termodinâmica (pressão estática p), somada a pressão hidrostática (ρ · g · z) e a pressãodinâmica (ρ · v2/2) deve ser um valor constante ao longo da linha de fluxo.

Aplicando este enunciado a um tubo de Venturi, considerando válidas as condiçõescitadas anteriormente, consegue-se extrair a vazão do fluido escoante. Para demonstrar como éfeito tal processo, considere a imagem apresentada na Figura 4.

Tomando como referência os pontos 1 e 2 da mesma linha de fluxo, tem-se (BANSAL,2005):

p1 +1

2· ρ · v21 + ρ · g · z1 = p2 +

1

2· ρ · v22 + ρ · g · z2 (5.12)

Outro fenômeno importante que ocorre no tubo de Venturi e que auxilia na demonstraçãodo cálculo da vazão de líquido é a lei de conservação da massa, que segundo Nussenzveig (2005),em um regime de escoamento estacionário, com tubos de seções circulares diferentes, o volume

18 Capítulo 5. Dinâmica dos fluidos

Figura 4 – Tubo de Venturi.

que atravessa o tubo em um determinado intervalo de tempo deve ser o mesmo em ambas asseções. A equação (5.13) exprime esse enunciado.

A1 · v1 = A2 · v2 (5.13)

Analisando novamente a Figura 4, se tomarmos o plano de referência como sendo oplano em que os pontos 1 e 2 se encontram, têm-se que z1 e z2 serão iguais a zero, simplificandoa equação (5.12) em:

p1 +1

2· ρ · v21 = p2 +

1

2· ρ · v22 (5.14)

Combinando as equações (5.13) e (5.14) é possível determinar a velocidade em que ofluido escoa no ponto 1.

v1 = A2

√2(p1 − p2)ρ(A2

1 − A22)

(5.15)

Este método de cálculo da vazão de fluido é chamado de método indireto, pois atravésda determinação da velocidade em um dos pontos e utilizando a lei de conservação da massa,determina-se a vazão de fluido que escoa no duto. A equação (5.16) exprime a vazão de fluido.

Q = A1 · v1 = A1 · A2

√2(p1 − p2)ρ(A2

1 − A22)

(5.16)

19

6 Microcontroladores

Neste tópico do trabalho são abordadas as características de um microprocessador, assimcomo a diferença entre um microprocessador e um microcontrolador, além da definição doschamados sistemas embarcados.

Plínio (2012) define um microprocessador como sendo um dispositivo capaz de processarinformações, que é composto por uma unidade de lógica aritmética (ULA) e uma unidade decontrole de dados. Para Nickel e Bessa (2010) o microprocessador é o principal elemento dequalquer sistema, pois executa as funções e controla a velocidade do sistema. Assim, o bomdesempenho dos sistemas depende do funcionamento do µP.

Já o microcontrolador é um único chip programável capaz de controlar processos ousistemas, ou seja, seu funcionamento é baseando no software gravado em sua memória (ByteCraft Limited, 2002).

Zurita (2012) diz que a diferença entre um microprocessador e um microcontrolador éque o último além de ser um sistema de processamento (microprocessador), apresenta memóriae periféricos de entrada e saída acoplados em um único chip. Desta forma, o microcontroladoré mais utilizado para sistemas específicos, diferentemente dos microprocessadores, cujo uso émais genérico.

Posteriormente surgiu o conceito de sistemas embarcados, que são considerados sistemasmicroprocessados encapsulados utilizados para controle de um dispositivo ou sistema específico.Por exemplo, pode ser considerado um sistema embarcado o circuito eletrônico utilizados paracontrolar o painel de um micro-ondas (PLíNIO, 2012).

Para Barros e Cavalcante (2014) as características que definem os sistemas embarcadossão: funcionalidade única, executando somente as tarefas que foram programadas; restrições deprojeto que, inclui custo, tamanho e desempenho; e reações em tempo real, ou seja, o sistemadeve reagir as mudanças do ambiente apresentando resultados em tempo real. Tal tecnologiavem sendo empregada em massa em diversas áreas da indústria, de forma que a venda desistemas embarcados foi maior que um bilhão de unidades nos últimos anos, enquanto que osmicroprocessadores estão na faixa dos milhões de unidades.

Neste trabalho foram utilizadas duas famílias de microcontroladores diferentes, um ARM(STM32F107VC) e um ARDUINO (ATmega328), isso ocorreu devido a disponibilidade do usode cada dispositivo durante o desenvolvimento do protótipo.

O Arduino é uma plataforma de desenvolvimento de projetos eletrônicos de código abertoque permite criar sistemas na área de eletrônica, automação e mecatrônica. Por ser de códigoaberto não existe um fabricante oficial, qualquer pessoa pode desenvolver um sistema baseado

20 Capítulo 6. Microcontroladores

neste modelo e comercializá-lo. A linguagem de programação utilizada é a C/C++ (COMATRELECO, 2013).

O primeiro Arduino foi lançado na Itália no ano de 2005, sendo um sistema compostopor um microcontrolador ATmega8, um bloco de memória e registradores e circuitos de entradae saída, apresentado na Figura 5 (SILVEIRA, 2013).

Figura 5 – Arquitetura Arduino ATmega8.

Fonte: Silveira, 2013, p.18.

O projeto foi evoluindo e novos microcontroladores foram lançados, apresentando novosrecursos e melhorias nos recursos já existentes. Dentre eles está o ATmega328, que possui ostrês blocos principais existentes em qualquer microcontrolador (CPU, memória e circuitos E/S).A Figura 6 apresenta a arquitetura deste µC.

A arquitetura ARM (Advanced Risk Machines) foi desenvolvida com o propósito deobter o melhor desempenho possível, porém preocupada com o a simplicidade, o tamanho e oconsumo de energia. Assim, os microcontroladores ARM são conhecidos por sua versatilidade,tamanho reduzido e baixo consumo de energia.

Cerca de 75% dos microprocessadores de 32 bits utilizados hoje são ARM. Um dosfatores responsáveis por este índice de preferência é a fabricação de modelos específicos paraalguns tipos de aplicações, que vão desde móveis e processamento de imagem, até aplicaçõesautomotivas e industriais (GOMES; LEITE; CAETANO, 2014).

21

Figura 6 – Arquitetura Arduino ATmega328.

Fonte: Silveira, 2013, p.19.

Parte III

Desenvolvimento

25

7 Desenvolvimento do protótipo

A construção do sistema proposto foi realizada em duas etapas, no primeiro estágio foidesenvolvido um circuito hidráulico para excitação e aferição do sistema eletrônico; no segundoestágio foi desenvolvido o sistema eletrônico capaz de determinar a vazão de escoamento dofluido e apresentar o resultado em um display alfanumérico. A medição de vazão foi feita pelométodo de Venturi, gerando uma diferença de pressão entre dois pontos da trajetória do fluido, eum sensor diferencial de pressão, transduzindo a diferença de pressão em um valor de tensão.

7.1 Sistema Hidráulico

O sistema hidráulico foi composto por: entrada do fluido (água); medidor residencialconvencional de consumo de água, para aferição do sistema; mangueiras com diâmetros de19,05mm(3/4") para conexões; Tubo de Venturi com orifícios para encaixe do sensor e torneirapara controle da vazão do fluido.

O primeiro tubo de Venturi foi construído com uma estrutura simplificada, não foramimplementados os cones convergente e divergente, assim o tubo não apresentou as normasdescritas por Delmée (1995) para elaboração de um tubo de Venturi com pequena perda de carga.O objetivo da utilização deste tubo foi verificar se o sistema apresentaria resultados aceitáveis,indicando a veracidade do princípio adotado. Posteriormente, construiu-se outro tubo buscandoimplementar todas as normas em suas fabricações, para verificar se os resultados a serem obtidosserão mais coerentes do que o tubo construído em não conformidade com as normas exigidas.

A Tabela 2, apresenta as características de construção de cada tubo, observadas com maisdetalhes nas Figuras 7 e 8.

Tabela 2 – Dimensões dos tubos de Venturi construídos

Venturi Material Diâmetro Ângulo Cone Diâmetro Ângulo ConeNominal (mm) Convergente Garganta (mm) Divergente

1 PVC 19,0 - 17,0 -2 Ferro 19,40 35,85o 8,95 17,37o

7.2 Sistema Eletrônico

O desenvolvimento do sistema eletrônico foi fragmentado em pequenas partes conformeé apresentado no diagrama de blocos da Figura 9.

26 Capítulo 7. Desenvolvimento do protótipo

Figura 7 – Folha de desenho Venturi 1.

Estimou-se a vazão máxima de fornecimento de água ao sistema utilizando um recipientede volume fixo e um cronômetro, e de acordo com a equação (5.16) encontrou-se um valormáximo de pressão esperado, que foi de 300Pa. Entretanto, só foi possível adquirir o sensorMPXV7002DP da fabricante Freescale, com características piezoresistiva, compensação detemperatura e precisão de 2,5%, cuja faixa de trabalho é de -2kPa a 2kPa. Este componentepossui um circuito interno capaz de transformar a mudança de resistência, devido a pressão, emum valor de tensão. O datasheet deste componente encontra-se no final do trabalho.

De acordo com a curva de transferência do sensor, Figura 10, nota-se que a tensão mínimaobtida em sua saída foi de 2,5V, uma vez que o sistema proposto trabalha com o fluxo em apenas

7.2. Sistema Eletrônico 27

Figura 8 – Folha de desenho Venturi 2.

SensorCondicionamento

de

Sinal

Microprocessamento Display

Figura 9 – Diagrama de blocos simplificado do circuito eletrônico proposto.

um sentido. Para a conexão do sensor no tubo foram utilizadas mangueiras plásticas hospitalares,possibilitando certa mobilidade em sua posição.

A utilização de um circuito de condicionamento se fez necessária devido à incompatibili-dade dos níveis de tensão do sensor e do conversor A/D do microcontrolador adotado. Pela curvade transferência do sensor, sabe-se que a tensão máxima de saída é de aproximadamente 5V,sendo que a tensão máxima suportada pelo conversor é de 3,3V. Assim foi necessário projetar


Figura 10 – Curva característica de resposta, em tensão, do sensor MPXV7002DP.

Fonte: Datasheet MPXV7002Series, 2009, p.5.

um circuito capaz de converter os valores de tensão do sensor (0V – 5V) em valores aceitáveispelo microcontrolador (0V – 3,3V) sem perda de escala.

Foram projetados dois circuitos amplificadores inversores para ajustar o valor de tensãodo sensor. O primeiro circuito foi utilizado para atenuar o sinal e invertê-lo, entretanto, devidoa tensão de referência aplicada à entrada não inversora, o sinal manteve os valores de tensãopositivos com coeficiente de variação negativo. O segundo circuito realiza o ajuste da saída desteestágio para valores de 0V a 3,3V quando a tensão do sensor varia de 2,5V a 5V. A Figura 11apresenta o esquemático do circuito. Contudo na montagem da placa de circuito impresso foramadotados dois trimpots substituindo os resistores R2 e R4, para facilitar o ajuste da curva detransferência do circuito. A placa desenvolvida é apresentada na Figura 12.

Foi adotado o kit de desenvolvimento STM3210C_EVAL para realização do processa-mento digital, composto por um microcontrolador ARM cortex M3(STM32F107VC).A eletrô-nica digital necessária, para a conversão de sinais analógicos em sinais digitais, é parte integrantedo microcontrolador que compõe o kit de desenvolvimento. Os sinais analógicos, com as faixasde tensões adequadas, são conectados diretamente aos conversores A/D, cuja configuração éprogramada e carregada no microprocessador. Isto simplifica a construção do sistema proposto,pois não há necessidade de projetar os circuitos digitais a serem adicionados na placa de circuitoimpresso final do sistema.

O software desenvolvido para este sistema faz as configurações iniciais necessárias paraexecutar cada função corretamente. Na sequência, apresenta uma tela de boas vindas e a legenda

7.2. Sistema Eletrônico 29

Figura 11 – Circuito de condicionamento analógico projetado.

Figura 12 – Placa de circuito impresso desenvolvida para o circuito analógico.

das variáveis monitoradas durante operação.

No instante em que termina a configuração, o conversor começa a transformar os valoresde tensão da saída do circuito analógico (0V-3,3V) em valores digitais (0-4095, por se tratarde um conversor de 12 bits), que são armazenados em uma variável quando solicitado peloprograma. Devido à coleta de dados ser em altíssima frequência e visando eliminar os ruídosaditivos, faz-se uma média, semelhante a média móvel, dos valores armazenados e, de acordo


com a configuração do timer de atualização do display, é exibido o valor da vazão do tubo e atensão gerada na saída do circuito analógico. A Figura 13 apresenta o fluxograma do software

desenvolvido

A média feita no software não calcula uma nova média a cada valor de conversão,conforme é feito na média móvel. O princípio de funcionamento é o mesmo, contudo considera-se um bloco de elementos novos para cálculo de uma nova média.

Figura 13 – Fluxograma do software desenvolvido.

Foram implementadas duas funções de interrupção por push buttons, a Tara e a Consumo.Notou-se que antes do sistema ser ativado, a tensão de saída do sensor diferencial de pressão erade 2,5V, ou seja, diferencial de pressão igual a zero. Após um período de testes, o sistema foidesligado e havia um resquício de tensão no terminal de saída do sensor acima dos 2,5V, poréma vazão era igual a zero. Assim, criou-se a função Tara com o objetivo de eliminar esta tensãoresidual de saída, forçando o sistema a apresentar um valor de vazão igual a zero, mesmo que atensão de saída do sensor de pressão esteja acima de 2,5V.

Já a função Consumo, é uma função criada com o objetivo de aferir o sistema eletrônicoem relação ao sistema mecânico. Ao pressionar o push button, um cronômetro é ativado e começaa contar o tempo em que o consumo está sendo medido, ao mesmo tempo, é feita a integral davariável vazão, apresentando o resultado na variável Consumo, exibida no Display. A função édesativada quando o mesmo push button for pressionado, parando a contagem de tempo e doconsumo.

7.3. Desenvolvimento do Hardware 31

7.3 Desenvolvimento do Hardware

O kit de desenvolvimento foi utilizado para agilizar a criação do protótipo, possibilitandoo uso dos recursos do microcontrolador em uma placa que já dispõe de diversos periféricos. Emcontra-partida o custo deste conjunto é extremamente elevado, impossibilitando sua utilizaçãono desenvolvimento de um produto visando sua disponibilização para o mercado. Assim foidesenvolvido uma placa de circuito impresso com um microcontrolador idêntico ao do kit eapenas os periféricos exigidos pelo programa, visando o baixo custo na sua fabricação.

Outra característica importante que influenciou diretamente no design final da PCI foia busca por criar um hardware robusto, tornando-o apto a trabalhar com diversos sistemas deleitura de dados através de sensores. Para isto foi adotado o sistema de módulos, ou seja, aplaca principal foi projetada para receber o dado do sensor, já condicionado caso necessite, erealizar os cálculos através da programação, contudo o sinal de entrada do sensor e o circuito decondicionamento deste sinal devem ser feitos em placa separa, posteriormente conectada a placaprincipal.

Como auxílio na determinação dos circuitos e componentes utilizados no projeto recorreu-se ao manual disponibilizado pela fabricante do microprocessador (STMICROELETRONICS,2011), informando as características básicas necessárias para funcionamento correto destecomponente. Este documento é divido em etapas, dentre elas: Alimentação, Clocks, Configuraçãode inicialização e Interface Computador/Hardware.

O dispositivo requer uma alimentação de 2,0V a 3,6V para alimentar os circuitos internosexistentes à ele, com possibilidade de alimentação do circuito RTC (Real Time Clock) e backup

dos registrados feitos por bateria, para manter as configurações com o desligamento da fonte.Outro recurso apresentado é a utilização de uma fonte de tensão independente para o funciona-mento do conversor A/D, tornando o sinal de referência mais exato. A Figura 14 apresenta umasugestão do esquema de alimentação.

Os capacitores utilizados neste circuito, para desacoplamento do sinal, funcionam comofiltros com o objetivo de eliminar ruídos advindo da rede. Assim orienta-se que os capacitoresde 100nF sejam cerâmicos e o de 10µF e 1µF sejam cerâmicos ou tântalos. Caso a fonte dereferência do conversor A/D seja a mesma utilizada na alimentação do circuito, aconselha-se ausar um resistor de 47Ω para evitar ruídos analógicos.

A base de funcionamento de todo microprocessador é o sinal de Clock, que determinao tempo de ocorrência de cada atividade realizada. Este sinal deve ser aplicado a uma portaespecifica do STM32F107VC e pode ser feito de duas maneiras: utilizando uma fonte externaou um cristal ressonador. Adotou-se a utilização do cristal, cujo esquemático é apresentado naFigura 15.

A determinação dos valores de resistência (REXT ) e capacitância (CL1 e CL2) dependem


Figura 14 – Esquemático do sistema de alimentação do microcontrolador.

Fonte: STMicroeletronics, 2011, p.8.

Figura 15 – Circuito de Clock implementado através de cristal.


da característica do cristal. O valor de REXT costuma ser de cinco a seis vezes o valor daresistência serie do ressonador, já os capacitores devem ser cerâmicos de alta qualidade comvalores entre 5pF e 25pF.

Para utilização do RTC com elevada acurácia, deve-se adicionar um cristal ressonadorcom baixa frequência (32,768kHz). Sua implementação é semelhante ao outro cristal,Figura 15,porém altera-se os terminais de entrada do sinal ao microcontrolador.

O ARM conta com três inicializações diferentes, que são determinadas por dois terminaisespecíficos. A escolha de inicialização é setada aplicando um sinal de nível lógico alto ou baixoà estes terminais, através de jumpers. A Tabela 3 apresenta as possíveis configurações.

A interface Computador/Hardware adotada para programação do microcontrolador e


demais atividades foi o JTAG, composto por uma ferramenta de depuração, um conector JTAG eum cabo que interliga estes elementos. Os terminais do microcontrolador necessários para criaresta interface estão apresentados na Tabela 4.

Tabela 3 – Modos de inicialização do Microcontrolador ARM

BOOT1 BOOT0 Modo de inicializaçãox 0 Memoria Flash principal0 1 Memória do sistema1 1 SRAM embutida


Tabela 4 – Pinos utilizados no JTAG

Nome pino Tipo Descrição Atribuiçãodepuração

JTMS/SWDIO I seleção modo teste JTAG PA13JTCK/SWCLK I teste clock JTAG PA14

JTDI I teste entrada de dados JTAG PA15JTDO/TRACESWO O teste dados de saída PB3

JNTRST I teste nReset PB4


Ao acionar o JTAG seus pinos não podem estar flutuando, pois podem desconfigurar osistema por se tratarem de flip-flops. Para evitar que isso ocorra, resistores de pull-up e pull-down

são adicionados no circuito. Após finalizada a operação, o controle dos pinos volta para osregistradores. O circuito utilizado na montagem da placa é apresentado na Figura 16.

Após a finalização dos circuitos necessários para o funcionamento do microcontrolador,projetou-se o sistema de alimentação da placa. Utilizou-se um conector Jack J4 por ser o maisutilizado em fontes chaveadas. Adicionou-se dois reguladores de tensão, o LM7805 (+5V) e oLM1117T (+3,3V), juntamente com os capacitores de desacoplamento, e um amplificador decorrente, visando futuras ampliações no protótipo. O resultado final do sistema de alimentaçãoestá demonstrado no esquemático da Figura 17.

A alimentação também pode ser provida via cabo USB, uma vez que a placa possui umconector USB proposital para alimentação e implementação de sistemas de transmissão de dados.O circuito USB projetado foi baseado no esquemático do kit de desenvolvimento STM32-P107da própria ST (fabricante do microcontrolador). O esquemático do circuito USB é apresentadona Figura 18.


Figura 16 – Esquemático circuito de depuração com JTAG.

Fonte: Adaptado STMicroeletronics, 2011, p.19.

A finalização da placa de circuito impresso ocorreu com a adição de quatro push buttons

e de três LEDs, além de disponibilizar acesso à todos os pinos do microcontrolador, evitando obloqueio de qualquer função. Os push buttons foram utilizados na ativação do sistema de reset

e das funções de interrupção externa, já os LEDs podem ser usados em um primeiro teste dohardware e disponibilizados para qualquer uso futuro.

Após a definição de todos os circuitos implementados no hardware, foram escolhidos osmodelos de cada componente, para aquisição.


Figura 17 – Esquemático do circuito de alimentação do Hardware.

Figura 18 – Esquemático do circuito de alimentação e comunicação USB.

Na Tabela 5, encontra-se todos os componentes adquiridos para a fabricação da placa dehardware e os respectivos preços em reais.


Tabela 5 – Componentes utilizados na fabricação do hardware e seus respectivos preços.

Componente Quantidade Preço Unitário (R$) Subtotal (R$)STM32F107VC 1 29,98 29,98

OPA376AID 1 5,04 5,04MMBT2222A 2 0,09 0,18MMBT4403 1 0,10 0,10

DIODO SCHOTTKY 1A 40V 2 0,19 0,38LM7805 1 1,10 1,10

LM1117T 1 3,13 3,13CRISTAL OSC. 25MHz 1 0,95 0,95

CRISTAL OSC. 32,768kHz 1 0,44 0,44CONECTOR USB FÊMEA 1 1,99 1,99

CONECTOR JACK J4 1 0,40 0,40CONECTOR HEADER 20 PINOS 1 0,44 0,44CHAVE TACTIL 4 TERMINAIS 4 0,30 1,20

SOQUETE BARRA 1x40 4 0,95 3,80SOQUETE BATERIA 3V 1 3,00 3,00MINI JUMPER C/ ABA 3 0,17 0,51

CAPACITOR CER 100nF 15 0,09 1,35CAPACITOR CER 22pF 2 0,11 0,22CAPACITOR CER 15pF 2 0,10 0,20

CAPACITOR ELET 220µF 2 0,53 1,06CAPACITOR ELET 10µF 2 0,31 0,62CAPACITOR TANT 1µF 1 0,62 0,62CAPACITOR CER 100nF 15 0,09 1,35

RESISTOR 0R 5 0,15 0,75RESISTOR 100R 5 0,26 1,30RESISTOR 1kΩ 5 0,16 0,80

RESISTOR 220kΩ 1 0,20 0,20RESISTOR 22R 2 0,20 0,40

RESISTOR 330R 1 0,32 0,32RESISTOR 390R 1 0,20 0,20RESISTOR 4k7Ω 2 0,35 0,70RESISTOR 56R 1 0,20 0,20

RESISTOR 12kΩ 10 0,18 1,80LEDs 4 0,23 0,92

Total 65,65

Foram criados no Orcad os footprints referentes a cada componente para início doroteamento da placa. Em seguida, os componentes foram dispostos de modo a evitar o cruzamentode trilhas, uma vez que a proposta da placa foi utilizar apenas dois Layers.

O roteamento foi feito manualmente e a placa desenvolvida está apresentada na Figura19.


Figura 19 – Placa de Circuito Impresso fabricada para substituição do kit de desenvolvimento.

O custo total de fabricação da placa foi de R$123,65 pois além das despesas comcomponentes, a fabricação do fotolito custou R$30,00 e a produção da placa, feita no laboratórioda universidade, custou R$28,00.

Os componentes estão sendo soldados na placa, que poderá ter todas as suas funçõestestadas assim que estiver pronta. Caso os testes sejam bem sucedidos, a placa poderá substituiro kit de desenvolvimento

39

8 Transmissão de Dados

O software desenvolvido no presente trabalho faz o registro da vazão através de umarquivo de texto em um cartão SD, assim como a data/hora em que foi realizada a medição.Posteriormente o arquivo gerado pode ser aberto no computador com a inserção do cartão SD ouatravés do navegador de internet, uma vez que o microcontrolador estará conectado a rede peloEthernet Shield.

Para possibilitar a visualização nos dois métodos citados anteriormente, dois arquivos detextos foram utilizados, contudo as informações exibidas por ambos foram as mesmas. O primeiroarquivo de texto, Dados.txt, permitiu a visualização dos dados no computador, apresentando asinformações divididas em duas colunas, sendo uma coluna para data/hora e a outra para a vazão.Já o segundo arquivo de texto, Internet.txt, gravou as informações e as exibiu em duas colunas,semelhante ao primeiro arquivo, porém no formato HTML.

Adotou-se esta estratégia para possibilitar uma visualização mais agradável com autilização do navegador. Para isto os dados foram gravados no cartão junto com tags, que sãorótulos que informam ao navegador como apresentar a página. Caso fosse utilizado somente omodelo de arquivo para HTML a visualização no computador seria de difícil compreensão.

Para os testes, a gravação da vazão no cartão SD ocorreu em intervalos fixos de dezsegundos, utilizando o circuito RTC como auxílio nesta tarefa. Se o arquivo de texto era vistocomo inexistente no cartão, o mesmo era criado e, em seguida, realizada a gravação.

A plataforma Arduino foi escolhida para desenvolver o sistema de transmissão de dadosdeste trabalho por não precisar da aquisição de nenhum dos componentes utilizados, além depossuir uma linguagem simples de trabalho. Assim, utilizou-se uma protoboard e uma placade desenvolvimento (Black Board) para simular o funcionamento do protótipo, possuindo umpotenciômetro que atua como sensor, ou seja, aplica uma tensão de 0V a 5V na entrada doconversor A/D. O sensor não foi utilizado em testes do sistema de transmissão para evitar ogasto de água desnecessário, pois o sistema de teste do protótipo não possui um ciclo fechado,ou seja, a água que escorre sobre o tubo e gera a diferença de pressão, que excita o sensor, não éreaproveitada.

As características do novo microcontrolador adotado são diferentes das característicasdo ARM, ocasionando pequenas mudanças no circuito. Para implementar o RTC no Arduino,embutido no ARM, foi utilizado uma placa auxiliar com um cristal de 32,768kHz, própria paraesta finalidade, e adicionada a biblioteca DS1307.h no programa. O conversor A/D da Black

Board suporta tensões de até 5V, eliminando o uso do circuito de condicionamento. Por fim,utilizou-se um display para exprimir o suposto resultado da vazão e de um Ethernet Shield para

40 Capítulo 8. Transmissão de Dados

gravação dos dados no cartão SD e comunicação com a Internet.

O circuito utilizado no desenvolvimento do software está apresentado na Figura 20.

Figura 20 – Circuito de teste para transmissão de dados.

O software tem início com a inclusão de algumas bibliotecas, a fim de assistir a programa-ção das tarefas a serem realizadas, além da configuração de alguns parâmetros e a declaração dasvariáveis globais. Dentre as bibliotecas adicionadas, as mais importantes são: LiquidCrystal.h,que apresenta as funções de trabalho do display alfanumérico; SdFat.h, utilizada para gravar eler os dados do cartão SD; e Ethernet.h, que apresenta as funções utilizadas na comunicação doµC com a rede.

O Arduino trabalha com duas funções principais no desenvolvimento de um software,que são: Setup e Loop, por isso é preciso fazer a descrição destas rotinas para que a compilaçãodo programa não apresente falha. A função Setup é uma função de configuração, que deve serexecutada apenas uma vez, para informação de alguns parâmetros para o microcontrolador epara a inicialização de algumas funções.

Para este programa a função Setup inicializou os pinos de entrada e saída; as funções docircuito RTC, LCD, SD e Ethernet; declarou a rotina de interrupção e apresentou no Display

alfanumérico as principais grandezas físicas utilizadas no sistema.

Já a função Loop é uma função recursiva, ou seja, quando a função termina sua execução,logo em seguida, ela reinicia o processo. É a função que o microcontrolador deve executarinfinitamente. Nesta etapa do software foram implementadas as rotinas de cálculo da vazão,apresentação do resultado no display, gravação dos dados no cartão SD e leitura dos dados pelonavegador.

41

O conversor A/D transforma os valores de tensão, vindo do potenciômetro, em sinaisdigitais para determinar a vazão proveniente desta excitação. Operou-se o sinal digital para que ovalor correspondente a este sinal fosse o mesmo valor da tensão, e com a função de transferênciado sensor, equação (8.1), foi possível determinar a pressão que correspondia a este valor detensão.

VOUT = VS (0, 2 ·∆P + 0, 5) (8.1)

sendo VS a tensão de alimentação do sensor e ∆P expresso em quilopascal.

Em seguida, a vazão foi determinada através da implementação da equação (5.16) nosoftware. O resultado desta operação foi apresentado no display alfanumérico em tempo reale, a cada dez segundos, seu valor era gravado nos arquivos dos cartão SD. Assim, foi possívelconferir os dados apresentados pelo sistema inserindo o cartão SD em um leitor e também atravésdo navegador. A Figura 21 apresenta parte do código desenvolvido, utilizado na gravação dosdados no cartão.

Figura 21 – Trecho do código do software desenvolvido que faz a gravação dos dados no cartãoSD.

42 Capítulo 8. Transmissão de Dados

Todavia para possibilitar o uso do navegador e fazer a leitura do arquivo, uma rotinafoi desenvolvida configurando o microcontrolador à fornecer tais informações quando fossemsolicitadas. Ao inserir o número do IP configurado no Arduino em um navegador conectado arede LAN, o µC realizava a abertura do arquivo de texto, Internet.txt, assim como o envio detodas as informações gravadas neste documento. A rotina utilizada para comunicação do Arduinocom a rede, está apresentada na Figura 22.

Figura 22 – Trecho do código do software desenvolvido que faz comunicação do microcontrola-dor com a rede.

43

O protocolo de comunicação para esta transferência de dados é o padrão Ethernet,portanto alguns comandos específicos relacionados à essa interação transmissor/receptor foramimplementados no código. Algumas tags da linguagem HTML também foram utilizadas para secriar um cabeçalho de apresentação.

Para que o sistema funcione através de uma rede WAN é necessário configurar o modemem que o Ethernet Shield está conectado, isso acontece porque o IP da rede WAN acessa somenteo modem e não os equipamentos conectados a ele. Assim faz-se uma configuração NAT nomodem para que o modem, quando receber uma solicitação de dados, encaminhe esta solicitaçãoao IP e a porta da rede LAN, que deve ser o IP e a porta do server que foi configurado no Arduino.Neste caso, utilizou-se a porta 80 por ser a porta padrão deste tipo de comunicação. Caso umaporta diferente seja especificada, ela deve ser declarada ao digitar o endereço de IP.

45

9 Resultados

9.1 Medidor de vazão eletrônico

Devido a indisponibilidade de um sistema de aferição de vazão instantânea, apresentadapelo presente sistema proposto, o método de validação de leitura nos testes realizados com otubo de Venturi 1, foi feito através da comparação do consumo medido no sistema eletrônico eem um medidor de consumo residencial convencional. A Figura 23 apresenta o sistema em teste.

Figura 23 – a) Circuito analógico; b) Sensor diferencial de pressão; c) Display; d) Medidor deconsumo mecânico; e) Sistema proposto em funcionamento.

A vazão máxima proporcionada pelo sistema hidráulico foi capaz de excitar uma tensãode 3V na saída do sensor diferencial de pressão. Assim, o sistema foi testado para diferentesvalores presentes no intervalo [2.5V - 3.0V]. O consumo medido pelo sistema proposto e oconsumo medido pelo medidor mecânico, avaliados em seis tensões diferentes de saída do sensor,estão apresentados na Tabela 6.

A divergência presente entre os dois sistemas de medições é indicativo que o sistemamontado com o tubo de Venturi 1 necessitou de calibração, visando obter medidas suficientementepróximas às apresentadas pelo sistema de aferição.

46 Capítulo 9. Resultados

Tabela 6 – Consumo medido em litros pelo sistema eletrônico e pelo sistema mecânico, resultantedas cincos vazões avaliadas, para três amostras coletadas.

Tensão de saída Consumo do sistema Consumo do sistemado Sensor (V) eletrônico (l) mecânico (l)

0 02,5 0 0

0 01,6865 2,80

2,6 1,6319 2,821,6606 2,772,8483 4,14

2,7 2,9451 4,192,9410 4,203,5117 4,86

2,8 3,5065 4,983,4861 4,923,9180 5,62

2,9 3,9714 5,583,9789 5,724,3238 6,61

3,0 4,4545 6,824,4719 6,71

Para Gonçalves Jr (2004) a calibração é o processo no qual são estabelecidas, sobcondições especificas, as relações entre os valores indicados por um sistema de medição eos valores correspondentes de um sistema padronizado. Caso o sistema operasse de maneiraideal, o valor de consumo medido em ambos os medidores seriam iguais e a relação entre osistema eletrônico e o sistema mecânico poderia ser representado por reta com inclinação de 45o.Tomando uma média das amostras obtidas para cada valor de tensão, correlacionou-se o sistemade medição proposto e o sistema de aferição (medidor mecânico), o resultado está apresentadona Figura 24.

A Figura 24 representa a relação entre o valor mecânico encontrado e o valor eletrônicomedido, ou seja, para uma medição de consumo de 2,7967 litros pelo sistema mecânico, osistema eletrônico apresentou um resultado de 1,6597 litros.

A calibração do sistema foi feita digitalmente com a adição de um ganho, A = 1,4941, navazão do sistema eletrônico, cujo resultado é apresentado na Figura 25. Assim foi verificado queo resultado aproximou-se da medida de referência, sendo que para uma medição de 6,5990 litrospelo sistema de aferição, o sistema proposto mediu 6,7133 litros.

9.1. Medidor de vazão eletrônico 47

Figura 24 – Relação entre o consumo do medidor eletrônico e do mecânico comparado com osistema ideal.

Figura 25 – Relação entre o consumo do medidor eletrônico calibrado e o do mecânico compa-rado com o sistema ideal.

Com o sistema calibrado, comparou-se os consumos apresentados por ambos medidoresem relação à tensão de saída do sensor diferencial de pressão, sendo o resultado apresentado naFigura 26.

O Tubo de Venturi 1 apresentou um erro máximo de cerca de 10,6% em sua faixa de


Figura 26 – Consumo de ambos os sistemas em relação a tensão de saída do sensor diferencialde pressão.

trabalho. Ibars (2004), em um trabalho semelhante, relata que seu sistema de medição de vazãoutilizando tubos de Venturi apresentou uma concordância de 0,9995 com o medidor padrão, ouseja, erros menores que 1%. Supõe-se que a diferença de exatidão entre os sistemas apresentadosfoi devido ao diâmetro e o método de construção da tubulação, e a teoria utilizada para o cálculoda vazão. Os tubos de Venturi de Ibars apresentam diâmetros de 50mm e 75mm e possuemcones convergentes e divergentes, enquanto que o tubo de Venturi 1 possui diâmetro de 19mme não apresenta cones convergentes e divergentes. A teoria utilizada neste sistema foi a maissimples possível, considerando algumas características de escoamento lineares, enquanto que ooutro autor utilizou coeficientes de correção devido a perda de carga e ao tipo de escoamentoencontrado em seus condutos forçados.

Embora o erro apresentado pelo sistema seja alto, o uso deste método de medição podeser justificado pelo trabalho de Reader-Harris et al. (2001) onde o autor fez uma comparação entredois medidores de Venturi com diferença nos ângulos dos cones convergentes e divergentes. Oresultado comprovou a eficiência deste método uma vez que as medidas apresentaram incertezasde 0,71% com o sistema de aferição, ou seja, a influencia da perda de carga nos resultados ébaixíssima.

O tubo de Venturi 2 ainda encontra-se em fase de teste, para verificar se a influênciados cones convergentes e divergentes na redução da perda de carga se faz presente, produzindoresultados mais coerentes com o sistema de aferição.

9.2. Transmissão de Dados 49

9.2 Transmissão de Dados

A Figura 27 mostra todos os arquivos que estão gravados no cartão SD após o sistemater sido submetido a um pequeno período de teste. Tal verificação foi feita inserindo o cartão SDem um leitor de cartões presente no computador.

Figura 27 – Arquivos presentes no cartão SD após um período de teste.

A Figura 28 corresponde a abertura do documento DADOS.TXT. Este é o primeirométodo de visualização das informações gravadas no sistema, apresentando a data/hora e arespectiva vazão no dado momento.

Figura 28 – Arquivo Dados.txt aberto no computador utilizando o leitor de cartão.


Já a Figura 29 contém as mesmas informações gravadas no primeiro arquivo, ondeapresenta as tags de organização da página em HTML, o que dificulta a extração das informações.Entretanto, tais tags tornam a visualização das informações, no navegador (segundo método),visualmente agradáveis, conforme apresentado na Figura 30.

Figura 29 – Arquivo Internet.txt aberto no computador utilizando o leitor de cartão.

Figura 30 – Leitura dos dados gravados no cartão SD através do navegador Google Chrome.

9.2. Transmissão de Dados 51

A Telemetria é um sistema que vem sendo utilizado para o monitoramento de sistemashídricos há mais de quarenta anos. Com a evolução da tecnologia sua utilização teve um cres-cimento e passou a ser utilizada em locais mais comuns. Deixou de ser de uso exclusivo deempresas de abastecimento de água e grandes fábricas. Um dos principais projetos de implemen-tação deste sistema é a individualização dos registros de apartamentos em um condomínio, paraque cada morador pague o correspondente de água gasto.

No presente trabalho adotou-se a transmissão de dados pela Internet, utilizando umWeb Server, que é um programa capaz de aceitar solicitações HTTP de clientes, geralmentenavegadores, e apresentar uma resposta.

Domingues, Beling e Paiva (2009) desenvolveram um sistema de transmissão remota dedados hidrológicos utilizando o sistema de telefonia móvel (GSM) associada a um data logger

para armazenamento dos dados. O fator preponderante na escolha da metodologia implementadapor eles, foi o baixo custo e grande área de cobertura das operadoras.

A vantagem de utilizar o sistema Web Server proposto em relação a tecnologia GSM é amaior taxa de transmissão de dados e a compactação do circuito, já que o próprio Ethernet Shield

apresenta o cartão SD para armazenamento dos dados. Outro fator que influenciou na escolhapara o presente trabalho é que a Agência Nacional de Águas (2012) orienta que os sistemas detelemetria implementados em estações hidrométricas sejam sistemas de Web Server.

Gírio (2010) apresenta em seu trabalho, utilizando a transmissão de dados pela internet,a possibilidade de recepção de informações pelo circuito eletrônico. Seu sistema simulou ocontrole de segurança de uma residência, o que difere em muito do sistema implementado nestetrabalho, contudo demonstra as potencialidades desta tecnologia. Associando esta prática aosistema de medição de vazão, a concessionária e o usuário teriam acesso remoto para alterarcaracterísticas do circuito.

Parte IV

Fechamento

55

10 Conclusões

Através deste trabalho, observou-se que é possível construir um sistema de medição devazão para tubulações residenciais com exatidão aceitável, associado a um sistema micropro-cessado para apresentação do resultado em um display. Observou-se um potencial em criar umsistema de medição de consumo de água eletrônico, associando a transmissão de dados para aconcessionária, produzindo um sistema de leitura de consumo automatizado.

Com a disseminação da rede de internet nas grandes cidades, seria possível implementarum sistema de Web Server tanto para a concessionária quanto para o usuário controlarem oconsumo de água gasto em um determinado período. Além do mais, a visualização da medidaem tempo real acelera o processo de identificação de vazamentos, diminuindo o desperdício deágua.

O sistema apresentado mostrou a necessidade de ampliar os estudos, principalmenteno que se refere a especificações do sensor de pressão, pois a diferença de pressão gerada notubo corresponde a uma pequena faixa da excursão total do dispositivo. Os circuitos analógicose o microprocessamento funcionaram de forma satisfatória. O trabalho proposto, que envolveconhecimentos multidisciplinares como a física, eletrônicas analógicas e digitais, microprocessa-mento de sinais, programação de microprocessadores, mostra que o sistema pode ser utilizadopara leituras de outros tipos de sensores, apenas com a mudança dos circuitos que envolvem aeletrônica analógica de entrada e respectiva reprogramação do microprocessador.

O trabalho proporcionou um aprendizado em diversas áreas de conhecimento do curso,mostrando as dificuldades encontradas na aplicação da teoria. Em especial, o uso de micro-controladores, incluindo os softwares de desenvolvimento, e a fabricação de placas de circuitoimpresso.

57

11 Trabalhos Futuros

Como sugestões para trabalhos futuros, um Web Server pode ser desenvolvido a partirdas ideias apresentadas, incluindo um sistema de cadastramento, busca de endereço, login esenha; explorando outras famílias de microcontroladores mais utilizados no mercado.

Recomenda-se a inclusão de outros transdutores e sensores, aumentando a utilidade dosistema, tornando-o apto a suprir novas necessidades que possam surgir.

59

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http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/application_note/CD00164185.pdf

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http://www.ufpi.edu.br/subsiteFiles/zurita/arquivos/files/UFPI-Microcontroladores_5-Microcontroladores-v1_1.pdf

Anexos

MPXV7002Rev 2, 1/2009

Freescale Semiconductor

© Freescale Semiconductor, Inc., 2005, 2009. All rights reserved.

Pressure

+

Integrated Silicon Pressure Sensor On-Chip Signal Conditioned, Temperature Compensated and Calibrated

The MPXV7002 series piezoresistive transducers are state-of-the-art monolithic silicon pressure sensors designed for a wide range of applications, but particularly those employing a microcontroller or microprocessor with A/D inputs. This transducer combines advanced micromachining techniques, thin-film metallization, and bipolar processing to provide an accurate, high level analog output signal that is proportional to the applied pressure.

Features• 2.5% Typical Error over +10°C to +60°C with Auto Zero• 6.25% Maximum Error over +10°C to +60°C without Auto Zero• Ideally Suited for Microprocessor or Microcontroller-Based Systems• Thermoplastic (PPS) Surface Mount Package• Temperature Compensated over +10° to +60°C• Patented Silicon Shear Stress Strain Gauge• Available in Differential and Gauge Configurations

ORDERING INFORMATION

Device Name Package Options

CaseNo.

# of Ports Pressure Type Device MarkingNone Single Dual Gauge Differential Absolute

Small Outline Package (MPXV7002 Series)MPXV7002GC6U Rails 482A • • MPXV7002GMPXV7002GC6T1 Tape & Reel 482A • • MPXV7002GMPXV7002GP Trays 1369 • • MPXV7002GMPXV7002DP Trays 1351 • • MPXV7002DP

MPXV7002Series

-2 to 2 kPa (-0.3 to 0.3 psi)0.5 to 4.5 V Output

SMALL OUTLINE PACKAGE

MPXV7002GC6U/C6T1CASE 482A-01

MPXV7002DPCASE 1351-01

MPXV7002GPCASE 1369-01

Application Examples• Hospital Beds• HVAC• Respiratory Systems• Process Control

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ANEXO A – Datasheet MPXV7002DP

MPXV7002

Sensors2 Freescale Semiconductor

PressureOperating Characteristics

Table 1. Operating Characteristics (VS = 5.0 Vdc, TA = 25°C unless otherwise noted. Decoupling circuit shown in Figure 3 required to meet specification.)

Characteristic Symbol Min Typ Max Unit

Pressure Range(1)

1. 1.0 kPa (kiloPascal) equals 0.145 psi.

POP –2.0 — 2.0 kPa

Supply Voltage(2)

2. Device is ratiometric within this specified excitation range.

VS 4.75 5.0 5.25 Vdc

Supply Current Io — — 10 mAdc

Pressure Offset(3) (10 to 60°C)@ VS = 5.0 Volts

3. Offset (Voff) is defined as the output voltage at the minimum rated pressure.

Voff 2.25 2.5 2.75 Vdc

Full Scale Output(4) (10 to 60°C)@ VS = 5.0 Volts

4. Full Scale Output (VFSO) is defined as the output voltage at the maximum or full rated pressure.

VFSO 4.25 4.5 4.75 Vdc

Full Scale Span(5) (10 to 60°C)@ VS = 5.0 Volts

5. Full Scale Span (VFSS) is defined as the algebraic difference between the output voltage at full rated pressure and the output voltage at the minimum rated pressure.

VFSS 3.5 4.0 4.5 V Vdc

Accuracy(6) (10 to 60°C)

6. Accuracy (error budget) consists of the following:Linearity: Output deviation from a straight line relationship with pressure over the specified pressure range.Temperature Hysteresis: Output deviation at any temperature within the operating temperature range, after the temperature is cycled to

and from the minimum or maximum operating temperature points, with zero differential pressure applied.Pressure Hysteresis: Output deviation at any pressure within the specified range, when this pressure is cycled to and from the

minimum or maximum rated pressure, at 25°C.TcSpan: Output deviation over the temperature range of 10° to 60°C, relative to 25°C.TcOffset: Output deviation with minimum rated pressure applied, over the temperature range of 10° to 60°C, relative to

25°C.Variation from Nominal: The variation from nominal values, for Offset or Full Scale Span, as a percent of VFSS, at 25°C.

— — ±2.5(7)

7. Auto Zero at Factory Installation: Due to the sensitivity of the MPXV7002 Series, external mechanical stresses and mounting position can affect the zero pressure output reading. Auto zero is defined as storing the zero pressure output reading and subtracting this from the device's output during normal operations. Reference AN1636 for specific information. The specified accuracy assumes a maximum temperature change of ± 5°C between auto zero and measurement.

±6.25 %VFSS

Sensitivity V/P — 1.0 —- V/kPa

Response Time(8)

8. Response Time is defined as the time for the incremental change in the output to go from 10% to 90% of its final value when subjected to a specified step change in pressure.

tR — 1.0 —- ms

Output Source Current at Full Scale Output IO+ — 0.1 —- mAdc

Warm-Up Time(9)

9. Warm-up Time is defined as the time required for the product to meet the specified output voltage after the Pressure has been stabilized.

— — 20 —- ms

66 ANEXO A. Datasheet MPXV7002DP

MPXV7002

SensorsFreescale Semiconductor 3

PressureMaximum Ratings

Figure 1 shows a block diagram of the internal circuitry integrated on a pressure sensor chip.

Figure 1. Integrated Pressure Sensor Schematic

Table 2. Maximum Ratings(1)

1. Exposure beyond the specified limits may cause permanent damage or degradation to the device.

Rating Symbol Value Unit

Maximum Pressure (P1 > P2) Pmax 75 kPa

Storage Temperature Tstg –30 to +100 °C

Operating Temperature TA 10 to 60 °C

SensingElement

Thin FilmTemperature

Compensationand

Gain Stage #1

Gain Stage #2and

GroundReference

Shift Circuitry

VS

Vout

GNDPins 1, 5, 6, 7, and 8 are NO CONNECTSfor Small Outline Package Device

2

4

3

67

MPXV7002

Sensors4 Freescale Semiconductor

PressureON-CHIP TEMPERATURE COMPENSATION, CALIBRATION AND SIGNAL CONDITIONING

The performance over temperature is achieved by integrating the shear-stress strain gauge, temperature compensation, calibration and signal conditioning circuitry onto a single monolithic chip.

Figure 2 illustrates the Differential or Gauge configuration in the basic chip carrier (Case 482). A gel die coat isolates the die surface and wire bonds from the environment, while allowing the pressure signal to be transmitted to the sensor diaphragm.

The MPXV7002 series pressure sensor operating characteristics, and internal reliability and qualification tests are based on use of dry air as the pressure media. Media, other than dry air, may have adverse effects on sensor

performance and long-term reliability. Contact the factory for information regarding media compatibility in your application.

Figure 3 shows the recommended decoupling circuit for interfacing the integrated sensor to the A/D input of a microprocessor or microcontroller. Proper decoupling of the power supply is recommended.

Figure 4 shows the sensor output signal relative to pressure input. Typical, minimum, and maximum output curves are shown for operation over a temperature range of 10° to 60°C using the decoupling circuit shown in Figure 3. The output will saturate outside of the specified pressure range.

Figure 2. Cross-Sectional Diagram SOP(not to scale)

Figure 3. Recommended Power Supply Decoupling and Output Filtering(For additional output filtering, please refer to Application Note AN1646.)

Fluoro SiliconeGel Die Coat

Wire Bond

Die

P1

StainlessSteel Cap

ThermoplasticCase

Die BondDifferential SensingElement

P2

LeadFrame

+5 V

1.0 µF 0.01 µF 470 pFGND

Vs

Vout

IPS

OUTPUT

68 ANEXO A. Datasheet MPXV7002DP

MPXV7002

SensorsFreescale Semiconductor 5

Pressure

Figure 4. Output versus Pressure Differential

PRESSURE (P1)/VACUUM (P2) SIDE IDENTIFICATION TABLE

Freescale designates the two sides of the pressure sensor as the Pressure (P1) side and the Vacuum (P2) side. The Pressure (P1) side is the side containing a gel die coat which protects the die from harsh media.

The Pressure (P1) side may be identified by using the following table:

MINIMUM RECOMMENDED FOOTPRINT FOR SURFACE MOUNTED APPLICATIONS

Surface mount board layout is a critical portion of the total design. The footprint for the surface mount packages must be the correct size to ensure proper solder connection interface between the board and the package. With the correct

footprint, the packages will self align when subjected to a solder reflow process. It is always recommended to design boards with a solder mask layer to avoid bridging and shorting between solder pads.

Figure 5. Small Outline Package Footprint

Differential Pressure (kPa)

Outpu

t Volt

age (

V)

5.0

4.0

3.0

2.0

1.0

00 2

TYPICAL

MIN

-2 -1 1

Transfer Function: Vout = VS × (0.2 × P(kPa)+0.5) ± 6.25% VFSSVS = 5.0 VdcTA = 10 to 60°C

MAX

Part Number Case Type Pressure (P1)Side Identifier

MPXV7002GC6U/GC6T1 482A-01 Side with Port Attached

MPXV7002GP 1369-01 Side with Port Attached

MPXV7002DP 1351-01 Side with Part Marking

0.66016.76

0.060 TYP 8X1.52

0.100 TYP 8X2.54

0.100 TYP 8X2.54

0.3007.62

inchmm SCALE 2:1

69

Desenvolvimento de um sistema de medição de vazão com o uso ...

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